Anti-melanogenic effect of D-tyrosine and monomeric melanocortin 1 receptor

Abstract

The color of human skin is controlled by the complex pigmentary process and maintaining appropriate balance of this process is essential to prevent diverse pigmentary disorders. Although serious efforts are being made to develop anti-melanogenic material, it is still unsatisfactory for controlling the pigmentation process. Therefore, I further investigated the new anti-melanogenic biomolecules including D-tyrosine, peptides and monomeric MC1R. Firstly, I investigated the effect of D-tyrosine, the enantiomer of L-tyrosine, on melanin synthesis. In contrast to L-tyrosine, D-tyrosine inhibited L-tyrosine-mediated melanogenesis by competitively inhibiting tyrosinase activity in human MNT-1 melanoma cells and human melanocytes. Consistently, D-tyrosine reduced melanin synthesis in the epidermal basal layer of a 3D human skin model, revealing that a novel regulatory function of D-tyrosine in melanin synthesis. To increase the potential use of D-tyrosine as a skin-functional material, I then extended the idea into D-tyrosine-containing peptide. The addition of D-tyrosine to the N- or C-terminus of the commercial anti-wrinkle peptide, pentapeptide-18, endowed the peptide with the ability to reduce melanin synthesis in human MNT-1 melanoma cells and primary human melanocytes. Furthermore, the addition of D-tyrosine to an anti-aging peptide or an anti-inflammatory peptide endowed these short peptides with anti-melanogenic effects without altering their intrinsic effects. Therefore, the addition of D-tyrosine at the terminus of a short cosmetic peptide can give an anti-melanogenic effect to its intrinsic cosmetic effect. Finally, I investigated the role of melanocortin-1 receptor (MC1R) in the regulation of melanogenesis. Compared with the wild type, MC1R dimerization-defective mutants downregulated melanin synthesis, but enhanced syndecan-2 expression paralleled with migration of human melanoma cells. Furthermore, α-MSH had no effect on melanogenesis and migration in human melanoma A375 cells expressing MC1R dimerization-defective mutant, suggesting the new role of the monomeric MC1R beyond the control of melanin synthesis. Taken together, this research offers novel anti-melanogenic role of D-tyrosine and D-tyrosine-containing peptides that could be used for innovative therapies of various pigmentary disorders. Furthermore, this research leads to new insights of whitening agent by controlling the conformational change of MC1R. ;사람의 피부에서, 피부색은 멜라닌세포와 케라틴세포의 다양한 조절 메커니즘에 의해 조절되며 이 과정에서 적절한 균형을 유지하는 것이 다양한 색소성 질환을 예방하는데 중요하다. 본 연구에서는 멜라닌 합성 과정을 조절하는 인자로 D-타이로신, D-타이로신을 포함하는 펩타이드 그리고 MC1R 단량체를 제시하였다. 먼저 L-타이로신이 멜라닌 합성에 있어서 중요한 인자라는 것은 잘 알려져 있었지만, D-타이로신이 멜라닌 합성에 미치는 영향에 대해서는 알려진 바가 없었다. 본 연구의 결과에 따르면 D-타이로신은 악성흑색종 세포주와 멜라닌세포에서 tyrosinase 활성을 경쟁적으로 저해함으로써 L-타이로신에 의한 멜라닌 합성을 억제하였다. 이러한 D-타이로신의 미백 기능성 효과는 3D 인공피부 모델에서도 입증하였다. 그러나 D-타이로신을 실제로 임상에 적용하기에는 D-타이로신의 피부투과성이 낮다는 문제가 있었기 때문에, 다양한 피부투과성 펩타이드에 대한 연구가 활발하다는 점에 착안하여 D-타이로신을 포함하는 펩타이드 또한 미백 효과를 가지는지 확인하였다. 먼저 항주름 펩타이드인 pentapeptide-18의 N- 또는 C- 말단에 D-타이로신을 붙인 펩타이드가 악성흑색종 세포주, 멜라닌세포에서 멜라닌 합성을 저해하였다. 흥미롭게도 아미노산 잔기 5개 이하의 짧은 항노화 펩타이드 또는 항염 펩타이드의 C- 말단에 D-타이로신을 붙였을 때도 펩타이드 고유의 기능을 잃지 않으면서 멜라닌 합성 또한 억제하는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 D-타이로신이 멜라닌 합성을 감소시킴과 동시에 D-타이로신을 말단에 붙인 펩타이드 또한 미백 효과를 가지며, 기능성 펩타이드에 D-타이로신을 붙였을 때 펩타이드 본래 기능 및 미백 기능, 이중 기능을 가질 수 있음을 제시한다. 다음으로 멜라닌 합성 조절의 상위 메커니즘에 대해 연구하였다. MC1R은 멜라닌 세포의 receptor로, 피부가 자외선에 노출되었을 때의 반응과 피부색 결정에 중요한 역할을 한다고 알려져 있다. MC1R 이합체 형성을 억제하였을 때 악성흑색종 세포주의 멜라닌 합성이 억제되는 반면, 신데칸-2 발현과 세포 이동성은 증가하였다. 더불어, MC1R의 35, 267, 273 그리고 275번째 시스테인을 알라닌으로 모두 치환하여 이합체 형성을 억제한 경우, α-MSH가 악성흑색종 세포주의 멜라닌 합성과 이동성에 영향을 주지 못하는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 단량체 형태의 MC1R이 멜라닌 합성을 저해하고 세포 이동성을 촉진함을 제시한다. 결론적으로 본 연구는 멜라닌 합성 과정을 조절하는 새로운 인자들인 D-타이로신, D-타이로신을 포함하는 펩타이드 그리고 MC1R 단량체가 다양한 색소성 질환 치료의 조절 타겟으로 이용될 수 있음을 제시한다. 또한 본 연구는 고등 생물체에서 D-form 아미노산이 중요한 역할을 할 수 있다는 새로운 견해를 제시하고 있고, MC1R의 구조 변화 조절이 미백 기능성 소재 및 과색소성 질환의 치료제 개발에 도움이 될 수 있다는 새로운 가능성을 제시한다.